專利名稱：螺旋內(nèi)徑槽軸頸軸承的制作方法
螺旋內(nèi)徑槽軸頸軸承技術(shù)領(lǐng)域
本文公開的主要內(nèi)容大致涉及一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)，具體地，涉及軸承 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的渦輪增壓器通常依賴于中心殼體旋轉(zhuǎn)組件(CHRA)，所述中心殼體旋轉(zhuǎn)組件 包括附接到軸的渦輪葉輪和壓縮機(jī)葉輪，該軸通過(guò)一個(gè)或多個(gè)軸承可旋轉(zhuǎn)地支撐在中心殼 體中。運(yùn)行期間以及剛剛運(yùn)行后，來(lái)自各源的熱能會(huì)導(dǎo)致部件達(dá)到超過(guò)1000華氏度(538 攝氏度)的溫度。熱能源包括潤(rùn)滑劑膜(例如，旋轉(zhuǎn)軸與軸承表面之間的潤(rùn)滑劑)的粘性 剪力，入口氣體的粘性發(fā)熱，摩擦發(fā)熱等。諸如旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量、潤(rùn)滑劑性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)速度等這樣 的因素會(huì)影響熱的生成。
高溫會(huì)導(dǎo)致含碳潤(rùn)滑劑(例如油)的碳化，也被稱為成焦或“焦化”。焦化會(huì)通過(guò) 多種機(jī)制加劇熱生成和熱滯留，并且隨著時(shí)間過(guò)去，焦炭沉積會(huì)縮短被潤(rùn)滑的軸承系統(tǒng)的 壽命。例如，焦炭沉積會(huì)將軸承系統(tǒng)間隙減少到出現(xiàn)咬粘(seizure)(例如在軸承與軸之 間)的程度，導(dǎo)致軸承系統(tǒng)和渦輪增壓器完全失效。在研發(fā)以高轉(zhuǎn)速或在高溫環(huán)境下運(yùn)行 的渦輪增壓器以及具有大質(zhì)量旋轉(zhuǎn)部件的渦輪增壓器的過(guò)程中，應(yīng)考慮這種現(xiàn)象。例如，采 用高強(qiáng)度材料，如鈦(例如，鈦制壓縮機(jī)葉輪)作為旋轉(zhuǎn)部件會(huì)增加旋轉(zhuǎn)組件的質(zhì)量，從而 增加熱生成。
這里所述各種示例技術(shù)可減少焦化，并總體上減少渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)組件的局部最 大運(yùn)行溫度。


可參照以下說(shuō)明并聯(lián)系附圖，更完整地理解這里所述的各種方法、設(shè)備、系統(tǒng)、配 置等及其等同物，附圖中
圖1是渦輪增壓器和內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的圖2是現(xiàn)有技術(shù)中心殼體旋轉(zhuǎn)組件的一系列剖視圖3是示例性中心殼體旋轉(zhuǎn)組件的一系列剖視圖，該組件包括兩個(gè)示例性軸頸軸 承；
圖4是圖3的組件的兩個(gè)軸頸軸承和隔圈的剖視圖5是圖3的示例性軸頸軸承的端視圖，該軸承包括三個(gè)開口和三個(gè)槽；
圖6是示例性軸頸軸承的端視圖，該軸承包括外通道；
圖7是圖3的示例性軸頸軸承的剖視圖8是示例性軸頸軸承的兩個(gè)側(cè)視圖和一個(gè)剖視圖，該軸承包括外表面槽從而為 潤(rùn)滑劑開口提供流徑；
圖9是示例性軸頸軸承的剖視圖和端視圖，該軸承包括四個(gè)開口和四個(gè)槽；
圖10是示例性軸承的側(cè)視圖和端視圖，該軸承包括四個(gè)開口和四個(gè)外表面槽從而為相應(yīng)的四個(gè)開口提供流徑；
圖11是示例性的兩件式組件的剖視圖以及兩個(gè)示例性的單體軸承的剖視圖。
具體實(shí)施方式
渦輪增壓器經(jīng)常用于增加內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出。參照?qǐng)D1，常規(guī)的系統(tǒng)100包括內(nèi)燃 發(fā)動(dòng)機(jī)110和渦輪增壓器120。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)110包括容納一個(gè)或多個(gè)燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 118，該一個(gè)或多個(gè)燃燒室操作性地對(duì)軸112進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，進(jìn)氣口 114為空氣進(jìn) 入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體118提供流徑，而排氣口 116為排氣從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體118排出提供流徑。
渦輪增壓器120起到從排氣中提取能量的作用，并將能量提供給進(jìn)氣，進(jìn)氣可與 燃料混合形成燃燒氣體。如圖1所示，渦輪增壓器120包括空氣入口 134、軸122、壓縮機(jī) 124、渦輪126、殼體1 和排氣出口 136。殼體128因其位于壓縮機(jī)IM與渦輪1 之間而 可被稱作中心殼體。軸122可為包括多種部件的軸組件。
參照渦輪126，這種渦輪可選地包括可變幾何單元和可變幾何控制器。可變幾何單 元和可變幾何控制器可選地包括例如與可商購(gòu)的可變幾何渦輪增壓器(VGT)有關(guān)的特征。 可商購(gòu)的VGT例如包括GARRETT VNT 和AVNT 渦輪增壓器，這些渦輪增壓器采用多 個(gè)可調(diào)葉片來(lái)控制排氣在渦輪上的流動(dòng)。示例性的渦輪增壓器可采用廢氣門(wastegate) 技術(shù)作為可變幾何技術(shù)的替代或補(bǔ)充。
圖2示出適用在圖1的渦輪增壓器120中的現(xiàn)有技術(shù)渦輪增壓器組件200的幾個(gè) 剖視圖。這些剖視圖包括中心殼體旋轉(zhuǎn)組件的剖視圖，該組件沿線A-A剖切的剖視圖，以及 軸承系統(tǒng)230的特寫剖視圖。在圓柱坐標(biāo)系中，軸承和中心殼體特征可關(guān)于徑向坐標(biāo)、方位 角坐標(biāo)(角坐標(biāo))和軸向坐標(biāo)而限定(即，分別為r、θ、ζ)。例如參見Beyer，W. H.，CRC Standard Mathematical Tables,28th ed. Boca Raton, FL :CRCPress, p. 212,1987。
組件200用作非限制性的示例來(lái)說(shuō)明這里公開的各種示例性設(shè)備、方法、系統(tǒng)等。 渦輪增壓器200包括中心殼體210、軸220、壓縮機(jī)葉輪240和渦輪葉輪沈0，其中壓縮機(jī)葉 輪240和渦輪葉輪260可操作地連接到軸220。
軸220可由形成單個(gè)可操作的軸單元的多個(gè)部件制成，或可為單體軸。壓縮機(jī)葉 輪M0、渦輪葉輪260和軸220具有大致與ζ軸一致的旋轉(zhuǎn)軸線。中心殼體210支撐軸承系 統(tǒng)230，軸承系統(tǒng)230接收軸220并允許軸220繞ζ軸旋轉(zhuǎn)。
壓縮機(jī)葉輪240包括輪轂242和多個(gè)葉片Μ4。輪轂242在鼻端246處終止，所 述鼻端246的形狀可設(shè)置成有助于壓縮機(jī)葉輪MO附接到軸220。渦輪葉輪260包括輪轂 262和多個(gè)葉片沈4。輪轂262在鼻端266處終止，所述鼻端沈6的形狀可設(shè)置成有助于渦 輪葉輪沈0附接到軸220。
軸220包括延伸到壓縮機(jī)葉輪輪轂242的孔中的壓縮機(jī)軸部。盡管圖2的例子示 出“無(wú)孔”壓縮機(jī)葉輪(即，沒有通孔)，但也可采用其它類型的壓縮機(jī)葉輪。例如，具有通 孔或貫眼(full bore)的壓縮機(jī)葉輪通常接收軸，所述軸在輪轂242的鼻端246接受螺母 或其它附接機(jī)構(gòu)。這種附接機(jī)構(gòu)可包括接受插座或扳手的特征(例如，考慮六角形)。
通常，孔是柱形孔，具有直徑(或半徑)以及沿軸線的長(zhǎng)度。例如，孔可用具有合適 鉆頭的鉆機(jī)制造，其中鉆機(jī)和鉆頭可根據(jù)待鉆的材料類型來(lái)選擇。例如，在壓縮機(jī)葉輪260 由鋁制成的情況下，制造工藝會(huì)指定用于在鋁中鉆孔的鉆機(jī)和鉆頭以及鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和軸向移動(dòng)?？稍诮M裝中心殼體旋轉(zhuǎn)組件之前、期間和/或之后進(jìn)行鉆孔。取決于組裝的階段，對(duì)一 個(gè)或多個(gè)用于鉆孔的表面的接觸(通達(dá))可隨之變化。
在圖2中，中心殼體210包括通孔215(用于收容軸承套230)，用于形成潤(rùn)滑劑入 口 270的潤(rùn)滑劑入孔218以及橫向潤(rùn)滑劑孔219，所述橫向潤(rùn)滑劑孔219用于形成通向孔 211并延伸到通孔215處的槽212的潤(rùn)滑劑分配路徑以及延伸到通孔215處的槽214的另 一個(gè)潤(rùn)滑劑分配路徑。各自的槽212、214可小于整圓(即，小于360度)，由繞孔215的軸 線的角度 B限定。軸承系統(tǒng)230沿線A-A(渦輪側(cè))的剖面示出角度ΘΒ，其可與壓縮機(jī)側(cè) 相同(見以下關(guān)于流動(dòng)和焦化的說(shuō)明)。如圖2所示，通孔215的直徑或半徑可變化，例如， 通孔215臺(tái)階式地變化到較大的半徑，該較大的半徑限定了位于其渦輪端和壓縮機(jī)端之間 的中部。
潤(rùn)滑劑入孔218和橫向潤(rùn)滑劑孔219由從各自外表面(例如頂表面和前或壓縮機(jī) 側(cè)表面)鉆中心殼體210而形成。橫向潤(rùn)滑劑孔219也對(duì)壓縮機(jī)側(cè)止推環(huán)供應(yīng)潤(rùn)滑劑。軸 承潤(rùn)滑劑槽212、214可通過(guò)經(jīng)由中心殼體210的渦輪端和/或壓縮機(jī)端進(jìn)入通孔215來(lái)鉆 中心殼體210而形成。
殼體210進(jìn)一步包括中間潤(rùn)滑劑出口 276、277和278以及潤(rùn)滑劑出口 279。通常， 潤(rùn)滑劑在壓力下流動(dòng)通過(guò)中心殼體210，這部分地可被重力促進(jìn)(例如，潤(rùn)滑劑入口 270和 潤(rùn)滑劑出口 279可大致與重力對(duì)準(zhǔn))，關(guān)機(jī)時(shí)，重力使至少部分潤(rùn)滑劑從中心殼體210排出。
在圖2的布置中，在運(yùn)行期間，潤(rùn)滑劑流動(dòng)到軸承系統(tǒng)230并形成各種膜。軸承系 統(tǒng)230的特寫剖面示出渦輪側(cè)軸承232，壓縮機(jī)側(cè)軸承232’和軸承隔圈236。在通孔215 和軸承232、232’以及軸承隔圈236之間形成的膜允許這些部件“漂浮”在通孔215中。
如軸承系統(tǒng)230的特寫剖面所示，軸220具有與渦輪側(cè)軸承232合作(經(jīng)軸承內(nèi)表 面235和軸表面22 的渦輪側(cè)部分222、與壓縮機(jī)側(cè)軸承232’合作(經(jīng)軸承內(nèi)表面235’ 和軸表面223’)的壓縮機(jī)側(cè)部分222’以及位于渦輪側(cè)部分222與壓縮機(jī)側(cè)部分222’之間 的部分224(具有表面221)。組件230的壓縮機(jī)側(cè)被用于更詳細(xì)地說(shuō)明功能性特征，注意， 渦輪側(cè)包括相同的功能性特征。
軸220的壓縮機(jī)部分222’包括在軸頸表面半徑處設(shè)置的軸頸表面223’，壓縮機(jī) 側(cè)軸承232’包括在壓縮機(jī)軸承內(nèi)表面半徑(例如，軸承內(nèi)徑“ID”)處設(shè)置的相應(yīng)的內(nèi)表 面235’。在壓縮機(jī)側(cè)，潤(rùn)滑劑于開口 233’進(jìn)入軸承232’，主要通過(guò)部分地由軸承潤(rùn)滑劑孔 211和槽212限定的潤(rùn)滑劑路徑供給。在運(yùn)行期間，熱能導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的加熱，這進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致 成焦(例如，來(lái)自反應(yīng)物、中間物、產(chǎn)物、雜質(zhì)等)。焦炭會(huì)沉積在任意的多種表面。例如，焦 炭可沉積在軸220和/或軸承232’上，并減少軸部分232’的軸頸表面223’與軸承內(nèi)表面 235’之間的間隙。替代性地或補(bǔ)充地，焦炭可沉積在開口 233’中并阻礙潤(rùn)滑劑到軸220的 流動(dòng)。在這種例子中，焦炭會(huì)導(dǎo)致熱傳遞降低并導(dǎo)致發(fā)熱增加，這會(huì)造成軸承系統(tǒng)失效。
在圖2的配置中，軸承隔圈236包括在外表面半徑處設(shè)置的外表面238，在內(nèi)表面 半徑處設(shè)置的內(nèi)表面239，一對(duì)開口 237、237’，渦輪側(cè)端切口 241和壓縮機(jī)側(cè)端切口 241’。 整個(gè)軸承系統(tǒng)230可在中心殼體210的通孔215中旋轉(zhuǎn)，獨(dú)立的軸承系統(tǒng)部件232、232’和 236可相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)。這些部件通常以軸220轉(zhuǎn)速的某個(gè)分?jǐn)?shù)旋轉(zhuǎn)(例如，隔圈的每分鐘轉(zhuǎn) 數(shù)是軸每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的大約1/8，軸承每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)是軸每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的大約1/4)。因此，中心殼 體210的軸承潤(rùn)滑劑槽212、214與軸頸軸承232、232’的開口 233、233’之間的關(guān)系會(huì)在中心殼體旋轉(zhuǎn)組件(CHRA)運(yùn)行期間改變。但是，通孔215的槽212、214的布置確保無(wú)論中心 殼體210與軸承232、232’之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系如何，每個(gè)軸承的至少一個(gè)軸承開口(例如參見 開口 233、233’)可接收潤(rùn)滑劑。在圖2的例子中，所示的軸承232、232’各自具有在軸向尺 度(例如在相對(duì)的軸向端之間居中)上設(shè)置并以90度的方位角隔開的四個(gè)開口。
如背景技術(shù)部分所述，成焦會(huì)導(dǎo)致軸承系統(tǒng)失效或壽命縮短。造成成焦的化學(xué)反 應(yīng)依賴于溫度和時(shí)間。例如，在短時(shí)間達(dá)到高溫的潤(rùn)滑劑會(huì)成焦，而在較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到較低溫 度的潤(rùn)滑劑也會(huì)成焦。示例性的軸頸軸承包括由槽限定的潤(rùn)滑劑流徑，與常規(guī)的軸頸軸承 232相比，這些槽可幫助降低潤(rùn)滑劑的局部溫度最大值和/或幫助減少潤(rùn)滑劑在旋轉(zhuǎn)軸附 近的駐留時(shí)間。如下所述，示例性的軸承可使相鄰于潤(rùn)滑劑膜的潤(rùn)滑劑容量增加，使?jié)櫥瑒?膜中的和/或鄰近的潤(rùn)滑劑體積流量增加，或者同時(shí)使相鄰于潤(rùn)滑劑膜的潤(rùn)滑劑容量增加 以及潤(rùn)滑劑膜中的和/或鄰近的潤(rùn)滑劑體積流量增加。
示例性的軸承可用在包括鈦壓縮機(jī)葉輪和/或重轉(zhuǎn)子的渦輪增壓器中。這種渦輪 增壓器已知需要所謂的“高容量”軸承以支撐轉(zhuǎn)子質(zhì)量并提供穩(wěn)定的運(yùn)行。由于其高負(fù)載 容量，這種渦輪增壓器傾向于使得軸承系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)得熱得多。高的軸溫會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑焦化，集 結(jié)在軸和軸承上的焦炭會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)部間隙損失，這最終導(dǎo)致軸承系統(tǒng)失效。
各種示例性的軸承作為浮動(dòng)軸承示出。盡管已經(jīng)采用半浮動(dòng)軸承用于高負(fù)載，但 半浮動(dòng)軸承傾向于要求高的潤(rùn)滑劑流速并通常相當(dāng)昂貴(例如，會(huì)以超過(guò)10 1的因子增 加軸承系統(tǒng)成本)。另外，對(duì)于安裝在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上(即，高振動(dòng)環(huán)境)的渦輪增壓器，半浮 動(dòng)軸承傾向于表現(xiàn)高的軸運(yùn)動(dòng)。
如這里所述，各種示例性軸頸軸承包括由槽限定的多個(gè)螺旋形內(nèi)徑的軸承路徑， 以使?jié)櫥瑒┝髟黾佣皇馆S承系統(tǒng)失穩(wěn)。另外，當(dāng)在全浮動(dòng)軸承中實(shí)施時(shí)，外膜形成有高剛 度和良好的阻尼特性，這有助于在高振動(dòng)環(huán)境中確保軸承穩(wěn)定性。盡管與半浮動(dòng)軸承有關(guān) 的各種特性可能是不利的，示例性的半浮動(dòng)軸承可包括螺旋槽。
軸承系統(tǒng)中的軸承可被視為具有負(fù)載側(cè)和未負(fù)載側(cè)(即，單向徑向力向量)。如這 里所述，螺旋路徑對(duì)示例性軸承的負(fù)載和未負(fù)載側(cè)兩者都提供合適的潤(rùn)滑劑流。通過(guò)軸承 的未負(fù)載側(cè)的潤(rùn)滑劑流冷卻軸承和軸。這種冷卻起到減少會(huì)導(dǎo)致焦化的局部溫度最大值的 作用。
如這里所述，螺旋槽繞軸承軸線跨過(guò)一角度，例如，從軸承的一個(gè)軸向端處的第一 角度到軸承的相對(duì)軸向端處的第二角度。進(jìn)一步地，螺旋槽具有可由關(guān)于軸向位置的一個(gè) 或多個(gè)角度限定的槽寬。具有螺旋槽的示例性軸承確保軸總是由軸承的內(nèi)軸頸表面支撐。 換句話說(shuō)，在具有螺旋槽的軸承中，軸不會(huì)“落”到槽內(nèi)(例如，考慮到其中可安放軸并由此 阻礙或改變潤(rùn)滑劑流的軸向槽)。再進(jìn)一步地，對(duì)于示例性軸承，軸在軸承的一側(cè)上經(jīng)過(guò)螺 旋槽區(qū)域，由軸承另一側(cè)上的壓力楔產(chǎn)生軸與軸承之間的間隙。保持這種分離確保了在軸 經(jīng)過(guò)螺旋槽并開始發(fā)展壓力以保持承載壓力楔的負(fù)載時(shí)，這種間隙得以保持?？紤]到隨之 軸的第二側(cè)到達(dá)其螺旋路徑，相應(yīng)的第一側(cè)已經(jīng)重新建立起其全負(fù)載承載能力。
如這里所述，螺旋槽的形狀確保潤(rùn)滑劑可高效地進(jìn)入軸與軸承之間以允許形成壓 力楔，該壓力楔支撐從軸施加到軸承的負(fù)載。示例性的槽形狀可為斜坡表面(例如，如用于 止推軸承的那種)。渦輪增壓器可包括外高壓潤(rùn)滑劑供應(yīng)以克服軸承內(nèi)的壓力從而確保示 例性軸承經(jīng)歷足夠的潤(rùn)滑劑流以支撐軸并帶走熱量。
如這里所述，示例性軸承系統(tǒng)將軸與軸承保持得較冷。進(jìn)一步，較冷的潤(rùn)滑劑通常 具有更高的粘性，這在分離表面時(shí)更有效。

如這里所述，示例性的一對(duì)軸承(或單體軸承)包括用于渦輪側(cè)軸的軸頸表面的 三個(gè)螺旋槽以及用于壓縮機(jī)側(cè)軸的軸頸表面的三個(gè)螺旋槽。這種示例性的多個(gè)軸承(或單 個(gè)軸承)可選地用于較小尺寸的渦輪增壓器。在這種例子中，可具有外表面槽以提高流向 連接到螺旋槽的開口的潤(rùn)滑劑流。這種外表面槽可具有以角度測(cè)量的弧形跨度(span)。例 如，這種外槽可具有大約15度的弧形跨度。弧形跨度的總和通常小于360度；注意，在每個(gè) 軸承均具有360度弧形跨度的外通道的情況下，已經(jīng)觀測(cè)到較高的軸運(yùn)動(dòng)。圖3示出中心殼體210中的示例性軸承系統(tǒng)330。軸承系統(tǒng)330沿線A-A的剖視 圖示出連結(jié)半環(huán)形槽414 (例如與槽214不同的形狀)的孔219、示例性軸頸軸承420和軸 220。軸承420包括外表面440和內(nèi)表面450。運(yùn)行期間，在外表面440與殼體210的孔 215之間形成阻尼膜，在內(nèi)表面450與軸220的外表面223之間形成潤(rùn)滑劑膜。如所述，軸 承420因被阻尼膜支撐而可在孔215中浮動(dòng)。阻尼膜和潤(rùn)滑劑膜都參與熱傳遞的同時(shí)，阻 尼膜還起到吸收振動(dòng)能量的作用，該振動(dòng)能量會(huì)影響軸220在軸承420中的旋轉(zhuǎn)。圖3中，軸承系統(tǒng)330的特寫剖視圖示出渦輪側(cè)軸承420，壓縮機(jī)側(cè)軸承420’和軸 承隔圈236。在該具體例子中，由于在隔圈236的包括平坦部(flat)的部分上取剖視，所以 軸承隔圈236看起來(lái)具有比每個(gè)軸承420、420’較小的外徑。在圖3的例子中，每個(gè)軸承420、420，包括三個(gè)螺旋槽422、422，，其中每個(gè)槽422、 422’延伸一軸向距離并跨開一方位角(例如關(guān)于各自潤(rùn)滑劑開口 430定中)。關(guān)于壓縮機(jī) 側(cè)軸承420’示出的上部放大視圖，示出從軸承420’的開口 430’出現(xiàn)的分叉的潤(rùn)滑劑流箭 頭，而下部放大視圖示出軸承420’的槽422’中的潤(rùn)滑劑流箭頭。在上部放大視圖中，來(lái)自 開口 430’的潤(rùn)滑劑流分叉以沿螺旋槽422’的兩個(gè)相對(duì)的臂部流動(dòng)。在沿線A-A的剖視圖中，各槽212、414可小于整圓(即，小于360度)，由繞通孔 215的軸線的角度ΘΒ限定。軸承系統(tǒng)330沿線A-A的剖面(渦輪側(cè))示出角度ΘΒ，其可 與壓縮機(jī)側(cè)的相同(見以下關(guān)于流動(dòng)和焦化的說(shuō)明)。在圖3的例子中，孔215中的月牙形 槽414的角度足夠大到將潤(rùn)滑劑供應(yīng)到軸承420的三個(gè)開口中的兩個(gè)(見11點(diǎn)鐘和3點(diǎn) 鐘處的開口)。在這種布置中，潤(rùn)滑劑流到軸承420中三個(gè)開口中的兩個(gè)，并流到軸承420 中各自的螺旋槽。對(duì)于沒有與月牙形槽414對(duì)齊的開口(在7點(diǎn)鐘處)，壓力會(huì)導(dǎo)致沒有流 動(dòng)或甚至導(dǎo)致從螺旋槽流出其相應(yīng)的開口(例如，到軸承420與孔215之間的潤(rùn)滑劑膜空 間)。如這里所述，為了在具有螺旋槽的示例性軸承中支撐軸，要么軸承具有無(wú)論軸承 的角位置如何都能確保潤(rùn)滑劑流到兩個(gè)或更多開口的一個(gè)或多個(gè)特征，要么殼體的孔具有 無(wú)論角度位置如何都能夠允許潤(rùn)滑劑流到兩個(gè)或更多開口的一個(gè)或多個(gè)特征。作為另一個(gè) 替代，示例性軸承可包括例如在軸承外表面上的局部槽這樣的特征，其中每個(gè)局部槽導(dǎo)向 各自的開口(例如參見圖8和圖10)。這種局部槽可與孔的一個(gè)或多個(gè)特征合作以確保潤(rùn)滑 劑流到兩個(gè)或更多開口(例如，每個(gè)開口沿內(nèi)軸承表面導(dǎo)向螺旋槽的情況)。如這里所述， 示例性的組件包括具有孔的殼體，其中孔包括繞該孔跨開足夠角度的潤(rùn)滑劑槽以將潤(rùn)滑劑 提供到關(guān)于軸承的圓柱壁以大約120度間隔的三個(gè)開口中的至少兩個(gè)。在這種組件中，潤(rùn) 滑劑槽可跨開大約240度并可允許潤(rùn)滑劑流動(dòng)到所有三個(gè)開口(例如，一個(gè)開口在與殼體的潤(rùn)滑劑槽的頂部中心對(duì)齊的12點(diǎn)鐘處，其它兩個(gè)開口分別在4點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘處)。 圖4示出圖3的軸承系統(tǒng)330的剖視圖以及示例性的槽特性480，其中沒有軸220。 槽特性480包括流動(dòng)相關(guān)參數(shù)，例如槽數(shù)、槽深(例如，作為軸向位置的函數(shù))，軸頸軸承內(nèi) 徑處的槽寬，以及開口(例如軸承圓柱壁中的孔口)處的分叉(divergence)。沿線D-D的 剖面的槽深的示例圖示出槽422中心部分周圍的深度，其中槽422分支到相對(duì)的臂部(例 如，槽1)。槽深與軸向距離的關(guān)系曲線的示例圖示出槽的臂部(例如，槽1、臂部1)可如何 在開口附近具有較大的深度(例如，測(cè)量為徑向尺度△!·)，以及在接近或在軸承軸向端處 具有較小的深度。槽深與方位角的關(guān)系曲線的示例圖示出在大約120度的角度上，兩個(gè)槽 的臂部(例如，槽1、臂部1和槽2、臂部2)的槽深可如何變化。在該例中，兩個(gè)臂部之間的 縫隙表示深度0( S卩，軸頸軸承420的內(nèi)徑)。另一個(gè)示例圖表示作為方位角尺度(Δ Θ)的 槽寬與軸向距離的關(guān)系曲線。該圖示出接近開口 430 (在線D-D)處的槽寬有多大，然后在 過(guò)渡到各自臂部(例如，到端部426)時(shí)變小。如這里所述，在諸如槽中的用于潤(rùn)滑劑流的剖面面積、槽相對(duì)軸頸面積的面積、槽 容積、槽數(shù)等因素之間存在平衡。例如，隨著槽面積和槽數(shù)增加，軸頸面積(例如，軸頸軸 承內(nèi)徑處的表面積)減小。還考慮到隨著槽的剖面面積與槽深一起增加，潤(rùn)滑劑流動(dòng)的阻 力減小，這會(huì)增加潤(rùn)滑劑的體積流量，從而增加熱量排除并減小潤(rùn)滑劑所經(jīng)歷的最大溫度。 但是，如果證明對(duì)有效的潤(rùn)滑劑膜的形成和維持有害，則應(yīng)避免潤(rùn)滑劑流的極端溝道作用 (channeling)。選擇槽特性的一個(gè)示例性方法包括提供最小的軸頸表面面積并確定槽形狀 (例如，槽面積)和槽數(shù)以至少保持該最小的軸頸表面面積。圖5示出軸承420的具體例子的端視圖并示出各種尺寸。在圖5的例子中，每個(gè)槽 的跨度為 w與兩倍 E之和，其中 是與開口(例如參見開口 430)相鄰的井孔(well) 跨度而 E是兩個(gè)相對(duì)且對(duì)稱的臂部(例如參見槽端424、426)的臂部跨度。圖5還示出 怎樣用固定半徑(例如，研磨半徑re)形成槽的臂部。例如，磨具可位于坯料軸頸軸承中， 沿軸向和方位角方向操作以形成槽臂部，然后重復(fù)以形成槽的相對(duì)的臂部。在圖5中，槽深 半徑示為RP，而內(nèi)徑示為R1,其中槽深半徑Rp部分地決定潤(rùn)滑劑容量，而內(nèi)徑R1決定用于形 成潤(rùn)滑劑膜的軸頸面積，潤(rùn)滑劑膜在軸半徑到R1厚度的情況下支撐軸。如所述，槽深可關(guān)于軸向和/方位角尺度而變化。在圖5的例子中，槽422的最大 槽深示出為相鄰于開口 430并等于所謂井孔深度(ARW)。示例性的軸頸軸承包括三個(gè)槽， 槽跨度為每臂部大約36度，總槽跨度大約72度。在該例中，井孔跨度可為大約42度，每臂 部跨開另外的15度(例如，總槽跨度為42度+2X15度)。三個(gè)槽以大約120度隔開的情 況下，存在軸頸面積的三個(gè)軸向帶(例如，在內(nèi)徑R1處)，具有大約48度的跨度。如這里所述，示例性的軸承組件包括渦輪側(cè)軸頸軸承，其具有沿內(nèi)軸頸表面的多 個(gè)螺旋槽，其中每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，每個(gè)臂部終止于軸頸軸承的各 自軸向表面；壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承，其具有沿內(nèi)軸頸表面的多個(gè)螺旋槽，其中每個(gè)螺旋槽包括 潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，其中每個(gè)臂部終止于軸頸軸承的各自軸向表面；以及隔圈，以沿 軸線隔開渦輪側(cè)軸頸軸承和壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承。在這種組件中，每個(gè)螺旋槽可具有由繞軸 線的方位角限定的槽跨度，例如，槽跨度可包括井孔跨度和臂部跨度。另外，在這種例子中， 井孔跨度可超過(guò)臂部跨度之和(例如參見圖5的例子)。示例性的單體軸承包括位于兩個(gè)軸頸軸承部之間的形成為一體的隔圈部。在一個(gè)軸頸軸承不特定于壓縮機(jī)側(cè)或渦輪側(cè)的情況下，這樣的單體件可經(jīng)任一端插到渦輪增壓器 殼體的孔中。示例性的組件可包括與軸頸軸承之一形成為一體的隔圈。例如，組件可包括 形成為一體的軸頸軸承和隔圈件以及分離的軸頸軸承件。 示例性的軸承可包括螺旋槽，其中每個(gè)槽包括相對(duì)的臂部，臂部具有臂部跨度，臂 部跨度由繞軸承的軸線的方位角限定。示例性的軸承可包括螺旋槽，其中槽具有由一個(gè)或 多個(gè)半徑(例如，考慮到槽由球面刀具形成的槽)限定的垂直于該軸線的剖面。因此，螺旋 槽的臂部可包括由一半徑限定的垂直于軸線的剖面。如這里所述，示例性的軸承可包括具 有對(duì)稱臂部的螺旋槽(例如繞各自開口的軸線旋轉(zhuǎn)180度對(duì)稱)。示例性的軸承可為對(duì)稱 的，使得可按照無(wú)指向的方式形成組裝，可避免組裝中的錯(cuò)誤。用于制造軸頸軸承的示例性方法可包括提供或生成具有粗略軸承形狀的軸承坯 料，可選地包括軸承外徑周圍的軸向通道。接下來(lái)，該方法包括從外徑到內(nèi)徑鉆徑向潤(rùn)滑劑 供給孔(例如，開口)?？捎们蛐偷缎纬陕菪郏缬糜陂_口到軸承內(nèi)徑交點(diǎn)的倒角。刀 的路徑可被編程以在開口的一側(cè)(例如，第一臂部)切出螺旋圖案，在潤(rùn)滑劑進(jìn)給開口上運(yùn) 動(dòng)以與開口連接并對(duì)其倒角，然后繼續(xù)并在軸承的相對(duì)側(cè)(例如，第二臂部)形成螺旋槽的 其余部分。然后，可按照常規(guī)方式完成軸承外徑(OD)和內(nèi)徑(ID)表面。在另一個(gè)例子中，螺旋槽可用圓頭槽銑刀和四軸或五軸銑床切割。因此，功能更好 的機(jī)器可切割更復(fù)雜的幾何形狀或路徑形狀，進(jìn)一步提高斜面的功能。相同或類似類型的 幾何形狀可應(yīng)用到半浮動(dòng)軸承。示例性方法包括提供軸頸軸承坯料，該坯料具有軸線、布置在內(nèi)徑處的內(nèi)表面、 布置在外徑處的外表面、相對(duì)的軸向表面以及在內(nèi)表面與外表面之間延伸的開口 ；銑削或 研磨井孔，該井孔繞軸線跨開一方位角；銑削或研磨臂部，該臂部繞軸線跨開一方位角并從 井孔延伸到軸頸軸承的軸向表面中的一個(gè)；銑削或研磨相對(duì)的臂部，該相對(duì)的臂部繞軸線 跨開一方位角并從井孔延伸到軸頸軸承的軸向表面中相對(duì)的一個(gè)；并且將軸頸軸承插到渦 輪增壓器中心殼體的孔中。這種方法可包括銑削或研磨對(duì)稱的臂部以形成對(duì)稱的軸頸軸 承，這允許軸向無(wú)指向地將軸頸軸承插到孔中。用于熱傳遞的示例性方法包括在渦輪增壓器中提供軸承組件，其中軸承組件包 括由渦輪側(cè)軸頸軸承和壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承支撐的渦輪增壓器軸，所述渦輪側(cè)軸頸軸承包括 潤(rùn)滑劑開口和螺旋路徑，每個(gè)螺旋路徑包括一潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，每個(gè)臂部終止于 軸頸軸承的各自軸向表面，所述壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承包括潤(rùn)滑劑開口和螺旋路徑，每個(gè)螺旋 路徑包括一潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，每個(gè)臂部終止于軸頸軸承的各自軸向表面；為潤(rùn)滑 劑開口中的至少兩個(gè)提供潤(rùn)滑劑；在所述至少兩個(gè)開口的每一個(gè)處，使?jié)櫥瑒┝鞣植娴礁?自螺旋路徑的相對(duì)的臂部；并且將熱能傳遞到在螺旋路徑中流動(dòng)的潤(rùn)滑劑。圖6示出示例性軸承620，其包括在通道半徑Rc處的外通道621以及與軸承420 相同或類似的特征。具體地，軸承620包括具有臂部端624、626的槽622、開口 630和外表 面640(位于半徑Rq處)以及內(nèi)表面650 (位于半徑民處)。在本例中，外通道621可幫助 提供向各種開口的潤(rùn)滑劑供應(yīng)。這種特征可與中心殼體210的半環(huán)形212、214協(xié)作，并提 高其供應(yīng)。但是，應(yīng)將通道特性確定為不會(huì)不利地影響軸頸軸承的阻尼。圖7示出示例性軸承420沿線B-B的剖視圖。圖7示出各種尺寸，包括井孔跨度 。臂部跨度 E、內(nèi)徑R1、外徑Rtj、軸向凹部尺IZk、軸向端部尺+Ze、軸向開口尺寸Z0(也見開口半徑。以及軸向倒角尺寸Z。h(也見倒角半徑rj。圖8示出示例性軸頸軸承820的兩個(gè)側(cè)視圖和一個(gè)剖視圖，軸頸軸承820包括外 表面槽829以為潤(rùn)滑劑開口 830提供流徑。在圖8的例子中，每個(gè)外表面槽具有弧形跨度 Δ 和在各自開口 830處或附近的最大半徑深度ARro?？稍谳S承820中銑削或研磨這種 槽(例如，考慮到銑削或研磨半徑rTO)。如這里所述，這種外表面槽可與殼體的一個(gè)或多個(gè) 潤(rùn)滑劑分配路徑協(xié)作。沿線A-A的剖面圖(例如參見圖2)示出殼體210中的示例性軸承 820，其中月牙形槽214跨過(guò)大約180度的弧長(zhǎng)。如這里所述，外表面槽829與月牙形槽214 合作以提高沿軸承820的內(nèi)軸頸表面流向螺旋槽822的潤(rùn)滑劑流。以這種方式，示例性軸 承(例如具有以120度間隔的三個(gè)開口)可通過(guò)延伸殼體的潤(rùn)滑劑分配系統(tǒng)而有效提高殼 體中的流動(dòng)。如這里所述，示例性軸承可包括一個(gè)或多個(gè)外表面槽，該一個(gè)或多個(gè)外表面槽 構(gòu)造成使?jié)櫥瑒┝鞯介_口中的一個(gè)或多個(gè)或從開口中的一個(gè)或多個(gè)流出。圖9示出示例性的軸頸軸承920，其包括四個(gè)開口 930和四個(gè)槽922。每個(gè)槽922 包括從各自開口 930延伸到相對(duì)的端部924、926的兩個(gè)臂部。在圖9的例子中，軸承920 包括端凹部和外通道921。槽數(shù)增加的情況下，槽寬(例如θρ)和槽跨度(例如， s)可減 少以保持期望的軸頸面積(例如位于內(nèi)徑R1處的表面積950)。圖10示出示例性軸承1020的側(cè)視圖和端視圖，該軸承包括用于每個(gè)開口 1030的 外表面槽1029。如端視圖所示，外表面槽1029提供用于潤(rùn)滑劑流到開口 1030然后流到螺 旋路徑1022的路徑。如所示，取決于壓力，潤(rùn)滑劑會(huì)發(fā)生從螺旋路徑1022到開口 1030并 且到外表面槽1029的逆向流動(dòng)。在這種狀況下，與沒有這種槽(或如圖9的通道)的開口 相比，外表面槽1029提供更大的流出面積。圖10的軸承1020目標(biāo)是提供適當(dāng)?shù)淖枘岷洼S 支撐。圖11示出示例性的兩件式組件1120、示例性單體軸承1220和具有用于定位銷 1400的插孔1399的示例性單體軸承1320。兩件式組件1120包括軸頸和隔圈件1194以及 軸頸軸承件1198。軸頸和隔圈件包括各種開口，例如開口 1193、開口 1195和端切口 1197。 單體軸承1220在附圖標(biāo)記1293以及附圖標(biāo)記1297處包括內(nèi)徑中的臺(tái)階，允許潤(rùn)滑劑流出 各自軸頸區(qū)域，例如，經(jīng)開口 1295從軸承1220排出(注意軸承1220可包括額外的開口)。 單體軸承1320包括構(gòu)造成用于接收定位銷1400的插孔1399，該定位銷1400可經(jīng)殼體1410 中的開口而被接收。這種布置可允許軸承1320在殼體1410的孔中進(jìn)行一些徑向移動(dòng)，同 時(shí)限制軸承1320在殼體1410的孔中的軸向運(yùn)動(dòng)。圖11中所示的用于組件1120、單體軸承 1220和單體軸承1320的特征為示意性目的，因?yàn)閮杉浇M件和單體軸承可包括更少、更多 或其它特征。盡管已在附圖中示出并在前述具體實(shí)施方式
中說(shuō)明了一些示例性方法、設(shè)備、系 統(tǒng)、布置等，但應(yīng)理解所公開的示例性實(shí)施例不是限制性的，而是能在不背離所附權(quán)利要求 闡釋和限定的精神的情況下進(jìn)行各種重新安排、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪增壓器的軸承組件，包括渦輪側(cè)軸頸軸承，其包括沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中，每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口和 相對(duì)的臂部，其中，每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承，其包括沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中，每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口 和相對(duì)的臂部，其中，每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；以及隔圈，以沿軸線隔開所述渦輪側(cè)軸頸軸承和所述壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承。
2.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)螺旋槽包括由繞所述軸線的方位 角限定的槽跨度。
3.如權(quán)利要求2所述的軸承組件，其特征在于，所述槽跨度包括井孔跨度和臂部跨度。
4.如權(quán)利要求3所述的軸承組件，其特征在于，所述井孔跨度超過(guò)所述臂部跨度之和。
5.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，所述相對(duì)的臂部中的每一個(gè)包括由繞 所述軸線的方位角限定的臂部跨度。
6.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)槽包括由一個(gè)或多個(gè)半徑限定的 與所述軸線垂直的剖面。
7.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)臂部包括由半徑限定的垂直于所 述軸線的剖面。
8.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)軸頸軸承包括三個(gè)槽。
9.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)軸頸軸承包括四個(gè)槽。
10.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)槽包括對(duì)稱的臂部，繞各自開口 的軸線旋轉(zhuǎn)180度對(duì)稱。
11.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)軸承包括對(duì)稱的軸承。
12.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)軸承包括一個(gè)或多個(gè)軸向凹部。
13.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，每個(gè)軸承包括一個(gè)或多個(gè)外表面槽， 所述一個(gè)或多個(gè)外表面槽構(gòu)造成用于潤(rùn)滑劑流到所述開口中的一個(gè)或多個(gè)或者從所述開 口中的一個(gè)或多個(gè)流出。
14.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，所述渦輪側(cè)軸頸軸承和所述隔圈構(gòu)成 單體件，或者所述壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承和所述隔圈構(gòu)成單體件。
15.如權(quán)利要求1所述的軸承組件，其特征在于，所述軸頸軸承的每一個(gè)包括位于所述 軸頸軸承內(nèi)徑處的一個(gè)或多個(gè)表面，無(wú)論所述軸頸軸承在殼體的孔中的角取向如何，所述 軸頸軸承都支撐渦輪增壓器軸。
16.一種用于渦輪增壓器的單體軸承，包括渦輪側(cè)軸頸軸承部，其包括沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中，每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口 和相對(duì)的臂部，其中，每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承部，其包括沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中，每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開 口和相對(duì)的臂部，其中，每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；以及隔圈部，其位于所述渦輪側(cè)軸頸軸承部和所述壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承部之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了螺旋內(nèi)徑槽軸頸軸承，具體提供了一種示例性的軸承組件，包括渦輪側(cè)軸頸軸承，其具有沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，其中每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承，其具有沿內(nèi)軸頸表面的螺旋槽，其中每個(gè)螺旋槽包括潤(rùn)滑劑開口和相對(duì)的臂部，其中每個(gè)臂部終止于該軸頸軸承的各自軸向表面；以及隔圈，以沿軸線隔開所述渦輪側(cè)軸頸軸承和所述壓縮機(jī)側(cè)軸頸軸承。還公開了各種其它示例性的設(shè)備、系統(tǒng)、方法等。
文檔編號(hào)F02B39/14GK102032002SQ20101029830
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者D·A·古特克內(nèi)希特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司